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201808.21

태양보다 더 뜨거운 인공태양을 가두는 방법

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/840

태양을 피하고 싶어서~♬
유독 더운 날씨가 이어지는 올해 여름, 푸른 하늘에서 이글이글 작열하는 태양이 원망스럽게 느껴지는데요. 하늘 위의 태양보다 더 뜨거운 1억도 초고온의 태양을 지구상에 가두는 연구가 있다면 믿겨지시나요?

과학자들은 뜨거운 태양을 왜 가두는 것이며, 도대체 어떻게 가두는 걸까요?

 

뜨거운 태양을 어떻게 가두는 걸까? <이미지 출처=NASA>


태양을 가두는 이유

 

새로운 태양을 만들어 가둔다고 해서 더위를 해결할 수 있는 것도 아닐텐데, 왜 태양을 가두는 것일가요? 그 이유는 지구를 향해 무한한 에너지를 뿜어내는 태양처럼 지구에서도 작은 태양을 만들어 무한하고 청정한 에너지를 만들기 위해서입니다.

 

태양의 중심부에서는 태양을 구성하는 수소의 원자핵과 전자가 분리된 ‘플라즈마’ 상태에서 원자핵과 원자핵이 서로 융합하는 핵융합 반응을 통해 에너지를 만들어내고 있습니다. 태양이 지구를 향해 뿜어내는 무한한 빛과 열에너지의 근원이 바로 핵융합 반응인 것이죠. 태양이 1초 동안 만들어내는 에너지가 지구상의 모든 발전소가 만들어내는 발전용량의 1조 배나 많다고 하니 정말 어마어마한데요. 인공태양 장치를 만들어 지구에서도 태양처럼 핵융합 반응을 일으키면 태양처럼 무한하고 청정한 에너지를 만들 수 있는 것이죠.

 

하지만 ‘인공태양’ 장치로 태양처럼 핵융합 반응을 일으키는 것은 결코 쉽지 않습니다. 태양과 환경이 다른 지구에서는 플라즈마를 태양보다 약 7배 더 뜨거운 1억도 이상으로 가열해 오랫동안 가두어야 하기 때문이죠. 더군다나 지구상에는 1억도를 견딜 수 있는 물질도 존재하지 않고요. 그렇다면 어떻게 태양을 가둘 수 있을까요?

 

비밀의 핵심은 ‘자석’입니다.
귀여운 미니 태양을 가두는 실험을 통해 인공태양의 비밀에 다가가 보겠습니다!

 


뜨거운 태양을 가두는 방법

 

 


뜨거운 태양을 가두는 원리

 

태양을 가두는 비밀! 눈치채셨나요?
1억도 인공태양을 가둘 수 있는 재료는 없지만, 눈에 보이지 않는 힘, ‘자기장’이라면 가능합니다.

 

먼저 자기장이 어떻게 태양을 가두는지 알아보기 위해선 ‘플라즈마’의 성질에 대한 이해가 필요합니다. 플라즈마는 크게 보면 기체의 일종이지만 플라즈마가 일반 기체와 다른 점은 전기력이나 자기장에 영향을 받는다는 것입니다. 

 

자기장이 없을 때는 플라즈마가 자유롭게 움직이지만 자기장을 걸어주면 자기력선을 따라 회전운동을 한다.

 

따라서 플라즈마에 자기장을 걸어주면 플라즈마의 입자들은 자기장을 따라 움직이기 때문에 다른 곳으로 도망가지 못하고 꽉 붙잡히게 됩니다. 하지만 자기장은 우리 눈에 보이지 않기 때문에 마치 플라즈마가 공중부양을 하듯이 둥둥 떠있는 것처럼 보이게 되지요. 이것이 바로 1억도를 견디는 물질이 없어도 인공태양을 가둘 수 있는 비밀입니다. 

 

위의 실험에서는 실제 태양처럼 뜨거운 플라즈마를 발생시킬 수는 없기 때문에 초고온의 플라즈마를 대신하여 직접 그린 미니 태양을 이용했는데요. 플라즈마처럼 자기장의 영향을 받을 수 있도록 클립을 끼워 플라스틱 컵 안에 미니 태양을 공중부양 시킬 수 있었습니다.

 

그렇다면 실제 인공태양 장치도 플라스틱 컵처럼 생겼을까요? 놀랍게도 실제 인공태양 장치는 ‘도넛’ 모양입니다. 핵융합 반응이 일어나기 위해서는 플라즈마가 충분히 오랜 시간 가두어져야 하는데, 처음에 고안한 일자 형태의 자기장 그릇에서는 양 끝단으로 플라즈마가 쉽게 도망갔습니다. 그래서 과학자들은 양 끝단을 이어 ‘토카막’이라는 이름의 도넛 모양 인공태양을 만들어냈죠.

 

한국의 인공태양 KSTAR 장치의 내부. 가운데 기둥을 중심으로 도넛모양을 확인할 수 있다.


우리나라의 인공태양 KSTAR

 

우리나라에도 우리 기술로 건설한 도넛 모양의 인공태양 장치 KSTAR가 있습니다. 전 세계에 단 두 대밖에 존재하지 않는 모든 자석을 초전도자석으로 만든 핵융합연구장치로, 초전도 자석은 저항이 발생하지 않아 초고온의 플라즈마를 오랫동안 안정적으로 가둘 수 있다는 장점이 있습니다. 세상에서 가장 태양을 잘 가두는 나라가 바로 우리나라인 것이죠!

 

하지만 실제로 인공태양 장치를 이용해 우리가 사용하는 전기에너지를 발생시키기까지는 조금 더 시간이 필요합니다. 희망적인 것은 KSTAR처럼 우수한 장치들을 통해 플라즈마를 안정적으로 가둘 수 있는 비밀이 점차 풀리고 있으며, 우리나라를 비롯한 미국, 유럽, 일본 등 7개국이 힘을 합쳐 건설 중인 국제핵융합실험로 ITER도 성공적으로 건설되고 있기 때문입니다. 또한, ITER 장치 이후 각각의 나라에서 핵융합을 통한 전기생산 가능성을 최종 검증하기 위해 건설 예정인 핵융합실증로(DEMO)를 위한 준비도 차근차근 진행되고 있습니다.

 

KSTAR(왼)와 ITER의 크기 비교. KSTAR의 크기는 H8.6m*W8.8m. ITER의 크기는 H24m*W28m이다. ITER의 크기는 실제 발전소 크기에 준한다.

 

바닷물에서 쉽게 연료를 얻을 수 있고, 온실가스를 발생시키지 않으며, 고준위 방사성 폐기물도 발생시키지 않는 핵융합에너지의 상용화가 이루어진다면 지구 온난화 등 현재 인류가 겪고 있는 각종 에너지 문제의 근본적인 해결책이 될 것으로 기대됩니다.

 

쉽게 구할 수 있는 재료들을 이용하여 작은 태양을 공중부양 시키는 간단한 실험 속에 에너지 문제를 해결할 수 있는 중요한 단서가 숨겨져 있다니 정말 놀랍죠? 여러분도 하루 빨리 핵융합에너지 상용화가 이루어지길 기원하는 마음을 담아 직접 그린 작은 태양을 가두어 보세요~ 뜨거운 여름날의 더위도 조금은 잊혀지실거에요!

 

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